氫氣傳感器芯體用介質(zhì)材料、氫氣傳感器芯體及其制備方法和應(yīng)用
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于傳感器技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種氫氣傳感器芯體用介質(zhì)材料，還涉及一種氫氣傳感器芯體及其制備方法和應(yīng)用。
【背景技術(shù)】
[0002]氫氣用途廣泛，不僅在航空航天、車輛和船舶等的助推系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用，同時作為一種重要的還原性氣體和載氣，在化工、電子、醫(yī)療等領(lǐng)域也發(fā)揮著極其重要的作用。氫氣無色、無味、無臭、透明，在生產(chǎn)、儲存、運輸和使用的過程中易泄漏且不易察覺，在空氣中的含量位于4-75%之間時，遇明火即爆炸。因此，用于檢測環(huán)境中氫氣濃度的氫氣傳感器越來越受到人們的關(guān)注和重視。
[0003]目前市場上的氫氣傳感器產(chǎn)品種類較少，且以電化學(xué)型居多，但該類型傳感器因檢測下限高、測試精度差、使用壽命短，一直飽受詬病。近年來薄膜型氫氣傳感器發(fā)展迅速，檢測下限、測試精度、響應(yīng)時間和使用壽命都得到了大幅提升。目前的薄膜氫氣傳感器主要是以金屬鈀或者鈀合金材料為主的電阻型薄膜氫氣傳感器為主。但是，性能優(yōu)異的電阻型薄膜傳感器也只能檢測到1000 ppm以上的氫氣濃度，雖能較準(zhǔn)確地檢測環(huán)境中的氫氣濃度，但無法在氫氣泄露的初始階段(即環(huán)境中極低濃度的氫氣時)及時報警，避免事故發(fā)生或減少損失。
[0004]相比于電阻型薄膜氫氣傳感器，M0S電容氫氣傳感器普遍具有檢測氫氣濃度下限低、響應(yīng)速度快等優(yōu)點，是一種理想的氫氣檢漏傳感器。目前，絕大部分關(guān)于M0S電容氫氣傳感器中介質(zhì)層的研究都局限于氧化物材料中，采用普通氧化物作為介質(zhì)層的M0S電容氫氣傳感器檢測氫氣濃度的下限一般只能到幾十ppm，且氫氣檢測靈敏度較低。并且氧化物材料中的氧空位、間隙氧、金屬離子空位以及間隙金屬離子等缺陷會在一定程度上降低材料本身的長期穩(wěn)定性和長期可靠性。增加特殊材料與氧化物一起作為介質(zhì)層的M0S電容氫氣傳感器檢測氫氣濃度雖可達ppb級別，但制備復(fù)雜，成本較高。因此，亟待開發(fā)高性價比的M0S電容氫氣傳感器介質(zhì)層材料。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種檢測氫氣濃度的下限低、響應(yīng)時間和脫氫時間短、高穩(wěn)定性、成本低廉、制備工藝簡單的氫氣傳感器芯體及其制備方法。
[0006]為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案:
一種氫氣傳感器芯體用介質(zhì)材料，所述介質(zhì)材料為非晶碳。
[0007]上述的氫氣傳感器芯體用介質(zhì)材料，優(yōu)選的，所述非晶碳包括本征非晶碳或N摻雜非晶碳。
[0008]上述的氫氣傳感器芯體用介質(zhì)材料，優(yōu)選的，當(dāng)所述氫氣傳感器芯體用介質(zhì)材料為N摻雜非晶碳時，N在N摻雜非晶碳中的原子百分含量< 15%。
[0009]作為一個總的發(fā)明構(gòu)思，本發(fā)明還提供一種氫氣傳感器芯體，依次包括基片、介質(zhì)層和氫氣敏感層，所述介質(zhì)層由上述的氫氣傳感器芯體用介質(zhì)材料形成。
[0010]上述的氫氣傳感器芯體，優(yōu)選的，所述介質(zhì)層的厚度為2nm?300nm。
[0011]上述的氫氣傳感器芯體，優(yōu)選的，所述基片包括N型硅基片或P型硅基片。
[0012]上述的氫氣傳感器芯體，優(yōu)選的，所述基片的電阻率為0.001 Ω.αιι?30 Ω ?cm0
[0013]上述的氫氣傳感器芯體，優(yōu)選的，所述氫氣敏感層包括金屬鈀薄膜或鈀合金薄膜。
[0014]上述的氫氣傳感器芯體，優(yōu)選的，所述氫氣敏感層的厚度為2nm?300nm。
[0015]作為一個總的發(fā)明構(gòu)思，本發(fā)明還提供一種氫氣傳感器芯體的制備方法，包括以下步驟:
(1)先清洗基片表面，再去除基片表面的自然氧化層；
(2)在經(jīng)過步驟(1)處理后的基片表面制備非晶碳薄膜；
(3)在非晶碳薄膜表面上制備氫氣敏感層。
[0016]上述的氫氣傳感器芯體的制備方法，優(yōu)選的，所述步驟(2)中，制備非晶碳薄膜的方法包括離子束濺射或磁控濺射。
[0017]上述的氫氣傳感器芯體的制備方法，優(yōu)選的，所述非晶碳薄膜為本征非晶碳薄膜時，所述離子束濺射的工藝為:采用石墨靶材作為濺射源，以Ar氣體作為起輝和濺射氣體，尚子能量450eV?650eV，尚子束流40 mA?60mA，放電電壓35V?55V，加速電壓60V?lOOVo
[0018]上述的氫氣傳感器芯體的制備方法，優(yōu)選的，所述非晶碳薄膜為本征非晶碳薄膜時，所述磁控濺射的工藝為:采用石墨靶材作為濺射源，濺射方式為直流濺射，以Ar氣體作為起輝和濺射氣體，氣體壓強0.8Pa?2Pa，濺射功率50W?110W。
[0019]上述的氫氣傳感器芯體的制備方法，優(yōu)選的，所述非晶碳薄膜為N摻雜非晶碳薄膜時，所述離子束濺射的工藝為:采用石墨靶材作為濺射源，以隊和Ar的混合氣體作為起輝和濺射氣體，隊和Ar的分壓比為1: 2?1: 6，離子能量450eV?650eV，離子束流40mA?60mA，放電電壓35V?55V，加速電壓60V?100V。
[0020]上述的氫氣傳感器芯體的制備方法，優(yōu)選的，所述非晶碳薄膜為N摻雜非晶碳薄膜時，所述磁控濺射的工藝為:采用石墨靶材作為濺射源，濺射方式為直流濺射，以隊和Ar的混合氣體作為起輝和濺射氣體，隊和Ar的分壓比為1: 2?1: 6，氣體壓強0.8Pa?2Pa，濺射功率50W?110W。
[0021]上述的氫氣傳感器芯體的制備方法，優(yōu)選的，所述步驟(3)中，制備氫氣敏感層的方法包括磁控濺射、離子束濺射、脈沖激光沉積、熱蒸發(fā)或電子束蒸發(fā)。
[0022]作為一個總的發(fā)明構(gòu)思，本發(fā)明還提供一種上述的氫氣傳感器芯體或上述的氫氣傳感器芯體的制備方法所制備的氫氣傳感器芯體在M0S電容氫氣傳感器中的應(yīng)用。
[0023]本發(fā)明的氫氣傳感器芯體所制備的電容氫氣傳感器其工作原理為:氫氣吸附于鈀或鈀合金氫氣敏感層的表面后，在其催化作用下，氫氣分子分解產(chǎn)生氫原子，氫原子擴散通過金屬膜，達到金屬-介質(zhì)層界面處。在界面電荷的吸引下，氫原子被吸附在金屬-介質(zhì)層的界面處，形成以偶極層，該偶極層將改變鈀或鈀合金的功函數(shù)，導(dǎo)致鈀或鈀合金氫氣敏感層和硅片基底間的勢皇發(fā)生變化，最終導(dǎo)致M0S電容的電容值發(fā)生變化，變現(xiàn)出其容-電壓曲線(即c-v曲線)發(fā)生漂移。且隨著氫氣濃度的加大，輸出電容-電壓曲線的漂移值也相應(yīng)增加。
[0024]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點在于:
1、本發(fā)明的氫氣傳感器芯體用介質(zhì)材料，該介質(zhì)材料為非晶碳，非晶碳成分簡單，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，從而避免了氧化物材料中的氧空位、間隙氧、金屬離子空位以及間隙金屬離子等缺陷給材料本身的性能帶來影響。特別適合制備高穩(wěn)定性、長壽命的電子器件，且非晶碳薄膜制備工藝簡單，原材料及制備成本均很低。
[0025]2、本發(fā)明的氫氣傳感器芯體，將非晶碳薄膜作為氫氣敏感層與N型硅基片間的介質(zhì)層，經(jīng)過反復(fù)的實驗驗證，申請人發(fā)現(xiàn)，相比傳統(tǒng)的氧化物作為介質(zhì)層而言，本發(fā)明的氫氣傳感器芯體制備的M0S電容薄膜氫氣傳感器能夠檢測到的氫氣濃度下限更低，達lOppm，能及早發(fā)現(xiàn)微弱氫氣的泄露，起到提前報警的作用；而且響應(yīng)時間和脫氫時間小于25s，能實時監(jiān)測環(huán)境中氫氣濃度的變化。另外，非晶碳薄膜的穩(wěn)定性也很好，特別適合制備高穩(wěn)定性、長壽命的電子器件。這些均表明非晶碳薄膜作為介質(zhì)層在低濃度的氫氣檢漏領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價值。
[0026]3、本發(fā)明的氫氣傳感器芯體的制備方法，采用離子束濺射或磁控濺射在基底表面制備非晶碳薄膜作為介質(zhì)層，制備工藝簡單，材料及加工成本低廉；通過進一步對離子束濺射或磁控濺射工藝進行優(yōu)化，本發(fā)明制備的氫氣傳感器芯體用于M0S電容薄膜氫氣傳感器中，能檢測到的氫氣濃度下限達10 ppm，且響應(yīng)時間和脫氫時間小于25 s，不僅能及早發(fā)現(xiàn)微弱氫氣的泄露，而且也能實時監(jiān)測環(huán)境中氫氣濃度的變化。
【附圖說明】
[0027]圖1為本發(fā)明的氫氣傳感器芯體的剖面圖。
[0028]圖2為本發(fā)明實施例2的氫氣傳感器芯體的制備流程圖。
[0029]圖3為本發(fā)明實施例2的氫氣傳感器芯體的C-V特性測試結(jié)果。
【具體實施方式】
[0030]以下結(jié)合說明書附圖和具體優(yōu)選的實施例對本發(fā)明作進一步描述，但并不因此而限制本發(fā)明的保護范圍。
[0031]實施例1:
一種氫氣傳感器芯體用介質(zhì)材料，該介質(zhì)材料為非晶碳。
[0032]本實施例中，非晶碳為N摻雜非晶碳。
[0033]本實施例中，N在N摻雜非晶碳中的原子百分含量為3.68 %。
[0034]實施例2
如圖1所示，本實施例的氫氣傳感器芯體，依次包括基片、介質(zhì)層和氫氣敏感層，介質(zhì)層由